太湖流域典型稻麦轮作农田稻季不施磷的农学及环境效应探究

以太湖流域典型稻麦轮作农田为研究对象开展大田试验,通过设置稻麦季均施磷(PR+W,当前农民施肥习惯)、麦季施磷稻季不施磷(PW)、稻季施磷麦季不施磷(PR)以及稻麦季均不施磷(Pzero,对照)四种施磷处理,提出麦季施磷稻季不施磷(PW)的减磷措施。四年八季作物研究结果表明:与传统PR+W处理相比较,PW处理的作物籽粒和秸秆产量均无显著变化,但却提高磷肥利用率3.54%,同时降低土壤速效磷累积量10.5%~36.7%,减少径流总磷浓度12.0%。据此推算,如果一个稻季不施磷肥,太湖流域1.02×106hm~2水稻土四年可节约P_2O_5约24万t,估算该流域每年可直接节约肥料投入成本3.06亿元。这表明采取麦季施磷稻季不施磷的减磷措施不仅能够保持稳产,而且可节约磷肥(磷矿)资源,降低水环境污染风险,具有农学、环境以及经济效益的三赢潜力。     

太湖稻麦轮作农田减施磷肥盆栽试验研究

选择江苏常熟富磷、中磷、缺磷三个磷水平水稻土,通过盆栽试验研究稻麦轮作农田稻季不施磷的减磷措施的可行性。实验分四个不同处理:麦季施磷稻季不施磷(PW)、稻季施磷麦季不施磷(PR)、稻麦季均施磷(PR+W,目前农民施肥方式)以及稻麦季均不施磷(Pzero)。四年八季试验结果表明:与PR+W处理相比,无论是富磷、中磷以及缺磷土壤中,PW处理下的作物产量均无显著性差异,却显著提高四年稻麦轮作周期内的磷肥表观利用率(富磷、中磷以及缺磷三种土壤上分别高出4.21%、17.3%、18.5%),同时土壤速效磷含量累积下降20%~60%。然而,与PR+W处理相比,PR处理在缺磷土壤上作物产量下降了75%(P0.05)。四年盆栽试验结果表明,稻麦轮作农田在土壤磷素供应水平中等及以上条件下,通过稻季不施磷的措施来达到稻麦轮作农田减磷的效果在理论上具有可行性,可以保证作物较高产量水平和土壤磷素的环境安全。     

麦稻轮作高产条件下施磷对土壤速效磷

经过4年的田间定位试验,结果表明,在含磷量较高的土壤条件下(速效磷在25mg*kg-1以上),随着施磷量的提高,土壤速效磷含量明显增加,在土壤中有累积现象.后作利用前茬磷肥后效,土壤速效磷有降低趋势.水稻施磷,当季产量具有明显增产效果,而且磷肥残效亦可满足后茬小麦对磷的需求,产量亦可保持在较高的水平上.根据施磷后土壤速效磷的变化规律及作物产量结果分析表明,在麦稻轮作高产栽培条件下,水稻季施P2O590kg*hm-2为宜,小麦季施P2O5135kg*hm-2为宜,每年一次性施磷即可满足作物生长发育的需要.根据我们的研究结果,水稻季施磷可降低磷肥用量,并能保持稻麦两作较高的产量水平;根据北方稻区小麦播种采取带稻撒播而不利施肥的耕作特点,认为水稻季施磷在北方麦稻轮作区是一项有利的、可行的高产低耗生产技术.     

麦稻轮作高产条件下施磷对土壤速效磷及作物产量的影响

经过4年的田间定位试验，结果表明：在含磷量较高的土壤条件下（速效磷在25mg/kg^-1以上），随着施磷量的提高，土壤速效磷含量明显增加，在土壤中有累积现象，后作利用前茬磷肥后效，土壤速效磷有降低趋势，水稻施磷，当季产量具有明显增产效果，而且磷肥残效亦可满足后茬小麦对磷的需求，产量亦可保持在较高的水平上，根据施磷后土壤儿磷的规律及作物产量结果分析表明，在麦稻轮作高产栽培条件下，水稻麦施P2O5 90kg/hm^-2为宜，小麦季施P2O5 135kg/hm^-2为宜，每年一次性施磷即可满足作物生长发育的需要，根据我们的研究结果，水稻季施磷可降低磷肥用量，并能保持稻麦两作较高的产量水平，根据北方稻区小麦播种采取带稻撒播而不利施肥的耕作特点，认为水稻季施磷在北方麦稻轮作区是一项有利的，可行的高产低耗生产技术。     

长期施肥紫色土有效磷变化及其对稻麦轮作产量的影响

【目的】通过总结分析长期施肥处理下紫色土稻麦轮作土壤有效磷的变化特征,以及土壤磷素变化对作物产量的影响,为紫色土稻麦轮作磷素管理提供理论依据。【方法】依托国家肥力监测网紫色土肥力监测试验站27年的稻麦轮作定位试验,选取10种不同施肥处理：CK处理（只种作物不施肥）;N、NP、NK、PK、NPK为不同氮（N）、磷（P）、钾（K）化肥配施处理;M、NPKS、NPKM、1.5NPK+M为有机肥（M）、秸秆还田（S）及其与化肥配施处理。试验数据涵盖1991—2018年,测定不同施肥处理下土壤有效磷含量和作物产量,计算100 kg籽粒磷素吸收量和磷肥利用率,分析土壤磷素变化对累积磷盈亏的响应,采用不同模型计算土壤磷素农学阈值。【结果】长期施用磷肥能够显著提高土壤有效磷含量,各施磷处理有效磷年均增量为0.80—2.32 mg·kg^-1;而不施磷处理CK、N、NK和单施有机肥处理M的土壤有效磷含量则逐年下降至平稳状态。不施磷处理土壤磷素一直处于亏缺状态,施磷各处理27年后土壤累积磷盈余量为244.8—698.2 kg P·hm^-2,其中1.5NPK+M处理累积磷盈余量最高;施磷处理土壤累积盈余量与土壤Olsen-P增量呈显著线性相关,土壤每盈余磷100 kg·hm^-2,土壤有效磷含量提高4.27—6.5 mg·kg^-1。磷肥施用能显著提升稻麦轮作系统作物产量和吸磷量,100 kg水稻籽粒需磷量为0.17—0.41 kg,100 kg小麦籽粒需磷量为0.25—0.57 kg;试验各处理的磷肥利用率为10.3%—39.7%;4种模型（线性-平台模型、双直线模型、BoxLucas模型和米切里西模型）均能较好地拟合作物产量与紫色土有效磷含量的响应关系,其中双直线模型的拟合度最好,其计算的水稻和小麦的土壤有效磷农学阈值分别为13.28和9.93 mg·kg^-1。 【结论】在紫色土水稻-小麦轮作体系中,合理施用磷肥能显著提高作物吸磷量、产量以及土壤有效磷含量。推荐双直线模型用于计算紫色土稻麦轮作体系下土壤有效磷的农学阈值,生产上应根据土壤有效磷含量及其农学阈值调整磷肥施用量。     

太湖流域典型农田系统土壤中磷的流失

针对太湖周边典型农田磷流失污染情况,在太湖稻麦轮作区内选取试验田块开展5个施磷肥处理水平下农田磷素流失情况研究。结果表明,随着施磷量的增加,水稻籽粒和茎秆中的磷含量呈现出小范围波动,当施磷超过一定量后,单一地增施磷肥并不能提高产量;水稻籽粒和茎秆当季带走的磷素平均为26.08、27.44 kg/hm2;过量施用磷素会显著增加表层(0～20 cm)土壤的磷素含量,加大磷素的径流和淋溶损失;水稻季由径流损失的总磷量约1.6～6.9 kg/hm2,施磷量的增加显著增加了磷素的径流流失量。因此,从保证产量和保护环境的角度出发,建议将施磷量控制在90 kg/hm2以下。     

太湖地区小麦生产氮和磷投入阈值的研究

于2012²013年在太湖流域典型稻麦轮作农田开展了田间定位试验,研究了不同施氮、施磷量处理对小麦产量、肥料表观利用率和土壤氮、磷含量的影响,并利用产量效应图与氮、磷流失风险图叠加分析的方法推导出小麦生产中既保产量又最大程度减低污染排放的氮、磷投入阈值。结果表明:太湖流域稻麦轮作农田小麦产量随施氮量的增加呈先增后减的趋势,随施磷量的增加呈递减趋势,小麦麦粒产量最高可达4.14 t/hm2013年在太湖流域典型稻麦轮作农田开展了田间定位试验,研究了不同施氮、施磷量处理对小麦产量、肥料表观利用率和土壤氮、磷含量的影响,并利用产量效应图与氮、磷流失风险图叠加分析的方法推导出小麦生产中既保产量又最大程度减低污染排放的氮、磷投入阈值。结果表明:太湖流域稻麦轮作农田小麦产量随施氮量的增加呈先增后减的趋势,随施磷量的增加呈递减趋势,小麦麦粒产量最高可达4.14 t/hm²;在小麦收获后,土壤氮、磷残留量基本上随施肥量的增加呈增加趋势;太湖地区小麦稳产、减排的氮、磷(P_2O_5)施用阈值分别为190.80和43.59 kg/hm2;在小麦收获后,土壤氮、磷残留量基本上随施肥量的增加呈增加趋势;太湖地区小麦稳产、减排的氮、磷(P_2O_5)施用阈值分别为190.80和43.59 kg/hm²。     

沿江潮土稻麦轮作下磷素临界指标研究

为了明确沿江潮土稻麦轮作条件下土壤速效磷临界值和磷肥效应,进行了小麦、水稻轮作周期的磷肥临界指标研究。结果表明:土壤速效磷含量总体随施磷量的增加而呈增加趋势,表现为低施磷量水平时,土壤速效磷含量增加缓慢;在施磷量达90 kg/hm2以上时,土壤速效磷含量快速增长,在水稻、小麦上的趋势一致。土壤速效磷临界值,小麦为18.5 mg/kg,水稻为15.8 mg/kg;磷系数,小麦为15.8kg/hm2(P2O5),水稻为25.6 kg/hm2(P2O5)。     

减量施磷对保护地茄子产量及土壤磷素状况的影响

采取田间试验的方法,设置不同施磷水平,研究了保护地条件下减量施磷对茄子产量和土壤磷素状况的影响.结果表明:在此试验条件下,与常规施肥相比,减施磷肥10%和20%时,茄子产量差异不显著,高水平磷肥投入可以增加土壤中全磷、无机磷和速效磷的含量,对有机磷影响不明显.     

太湖地区小麦生产氮和磷投入阈值的研究

于2012~2013年在太湖流域典型稻麦轮作农田开展了田间定位试验,研究了不同施氮、施磷量处理对小麦产量、肥料表观利用率和土壤氮、磷含量的影响,并利用产量效应图与氮、磷流失风险图叠加分析的方法推导出小麦生产中既保产量又最大程度减低污染排放的氮、磷投入阈值。结果表明:太湖流域稻麦轮作农田小麦产量随施氮量的增加呈先增后减的趋势,随施磷量的增加呈递减趋势,小麦麦粒产量最高可达4.14 t/hm~2;在小麦收获后,土壤氮、磷残留量基本上随施肥量的增加呈增加趋势;太湖地区小麦稳产、减排的氮、磷(P_2O_5)施用阈值分别为190.80和43.59 kg/hm~2。     

Soil phosphorus dynamic,balance and critical P values in longterm fertilization experiment in Taihu Lake region,China

Phosphorus(P) is an important macronutrient for plant but can also cause potential environmental risk. In this paper, we studied the long-term fertilizer experiment(started 1980) to assess the soil P dynamic, balance, critical P value and the crop yield response in Taihu Lake region, China. To avoid the effect of nitrogen(N) and potassium(K), only the following treatments were chosen for subsequent discussion, including: C0(control treatment without any fertilizer or organic manure), CNK treatment(mineral N and K only), CNPK(balanced fertilization with mineral N, P and K), MNK(integrated organic manure and mineral N and K), and MNPK(organic manure plus balanced fertilization). The results revealed that the response of wheat yield was more sensitive than rice, and no significant differences of crop yield had been detected among MNK, CNPK and MNPK until 2013. Dynamic and balance of soil total P(TP) and Olsen-P showed soil TP pool was enlarged significantly over consistent fertilization. However, the diminishing marginal utility of soil Olsen-P was also found, indicating that high-level P application in the present condition could not increase soil Olsen-P contents anymore. Linear-linear and Mitscherlich models were used to estimate the critical value of Olsen-P for crops. The average critical P value for rice and wheat was 3.40 and 4.08 mg kg~(–1), respectively. The smaller critical P value than in uplands indicated a stronger ability of P supply for crops in this paddy soil. We concluded that no more mineral P should be applied in rice-wheat system in Taihu Lake region if soil Olsen-P is higher than the critical P value. The agricultural technique and management referring to activate the plant-available P pool are also considerable, such as integrated use of low-P organic manure with mineral N and K.     

太湖地区稻麦轮作系统中氮肥效应的研究

以太湖地区的常熟市为试验区,选择不同土壤类型的农田,设置不同氮肥水平田间小区试验与微区试验,对稻麦轮作下作物产量的氮肥效应及田间适宜施氮量进行了研究.结果表明,无论是水稻,还是小麦,随施氮苗增加,作物氮肥农学利用效率均下降.2年多点田间试验结果显示,该地区水稻的区域平均适宜施氮量为(176±24.2) kg·hm-2,小麦为(228±27.1) kg·hm-2.研究结果还表明,在该地区大义黄泥士上,水稻(晶种4007) 兼顾生产、生态和经济效益比较合理的施氮苗为171～204 kg·hm-2.     

Substituting nitrogen and phosphorus fertilizer with optimal amount of crop straw improves rice grain yield,nutrient use efficiency and soil carbon sequestration

Crop straw return after harvest is considered an important way to achieve both agronomic and environmental benefits.  However, the appropriate amount of straw to substitute for fertilizer remains unclear.  A field experiment was performed from 2016 to 2018 to explore the effect of different amounts of straw to substitute for fertilizer on soil properties, soil organic carbon (SOC) storage, grain yield, yield components, nitrogen (N) use efficiency, phosphorus (P) use efficiency, N surplus, and P surplus after rice harvesting.  Relative to mineral fertilization alone, straw substitution at 5 t ha^–1 improved the number of spikelets per panicle, effective panicle, seed setting rate, 1 000-grain weight, and grain yield, and also increased the aboveground N and P uptake in rice.  Straw substitution exceeding 2.5 t ha^–1 increased the soil available N, P, and K concentrations as compared with mineral fertilization, and different amounts of straw substitution improved SOC storage compared with mineral fertilization.  Furthermore, straw substitution at 5 t ha^–1 decreased the N surplus and P surplus by up to 68.3 and 28.9%, respectively, compared to mineral fertilization.  Rice aboveground N and P uptake and soil properties together contributed 19.3% to the variation in rice grain yield and yield components.  Straw substitution at 5 t ha^–1, an optimal fertilization regime, improved soil properties, SOC storage, grain yield, yield components, N use efficiency (NUE), and P use efficiency (PUE) while simultaneously decreasing the risk of environmental contamination.     

黄土高原不同地点小麦籽粒矿质元素的含量差异

【目的】研究同一区域不同地点小麦籽粒养分含量差异与土壤养分供应和作物养分吸收利用之间的关系,为科学施肥和培肥土壤提供依据。【方法】于2017—2018年分别在陕西永寿和杨凌布置田间试验,在施N 180 kg·hm^-2、P₂O₅ 100 kg·hm^-2、K₂O 75 kg·hm^-2的条件下种植来自我国不同麦区的20个小麦品种,收获期取样测定籽粒产量、各器官养分及土壤养分含量,分析两地间土壤养分供应与籽粒大、中、微量元素含量差异的关系。【结果】永寿小麦籽粒氮和钾含量比杨凌低10.6%和6.7%,两地小麦磷含量无显著差异。永寿土壤氮磷供应能力、小麦氮磷钾吸收和向籽粒的转移均高于杨凌;但试验年份永寿的降水总量及其分布均比杨凌的更有利于小麦生长和产量形成,由此引起的产量增幅高于籽粒氮钾吸收量增幅、与磷吸收量增幅接近,产量稀释效应是导致两地间氮磷钾含量变化的主要原因。永寿小麦籽粒钙和镁含量比杨凌高19.0%和10.3%,两地硫含量无显著差异。永寿土壤交换性镁供应能力低于杨凌,交换性钙与杨凌无差异,但永寿土壤较低的pH、速效钾和较高的有效硫更有利于小麦钙镁硫的吸收和向籽粒的转移;与杨凌相比,永寿小麦籽粒钙镁吸收量增幅大于产量增幅、硫吸收量增幅与产量接近,这是两地籽粒钙镁硫含量变化的主要原因。永寿小麦籽粒铁、锰和铜含量比杨凌高9.3%、22.2%和12.7%,锌含量比杨凌低63.1%。永寿 0—20 cm土层有效铁锰含量与杨凌无差异,铜锌含量低于杨凌;但永寿小麦灌浆期比杨凌长,有利于小麦从土壤中吸收微量元素,而锌吸收被较高的有效磷抑制,导致永寿小麦铁锰铜吸收和向籽粒的转移高于杨凌而锌吸收和转移低于杨凌,这是两地籽粒铁锰铜含量变化的原因。【结论】在同一区域的不同地点,土壤养分供应和降水差异引起的产量与养分吸收增减幅度不同是籽粒养分含量变化的主要原因。与杨凌相比,永寿小麦籽粒氮含量低的主要原因是产量稀释效应;小麦磷和硫含量不降低的原因是土壤较高的有效磷和有效硫供应使得小麦磷、硫吸收量与产量以相近幅度增加;小麦籽粒钾、锌含量低的原因分别是土壤钾锌供应不足和磷锌拮抗;小麦钙镁含量的增加主要是因为较低的土壤pH和速效钾促进了钙镁吸收和转移;小麦籽粒铁锰铜含量的增加主要归因于较长的灌浆期增加了这些元素的吸收和向籽粒的转移。农业生产中应根据当地土壤养分供应和气候特点有针对性地调控施肥,使小麦养分吸收与产量变化相协调,在实现增产的同时提高籽粒矿质营养品质。     

长期施用氮磷肥对旱地冬小麦籽粒产量和锌含量的影响

【目的】小麦是中国北方地区的主要粮食作物,主要种植在低锌的石灰性土壤上,其籽粒锌含量普遍偏低,因此小麦籽粒锌营养强化是近年研究的热点。小麦氮磷与锌的吸收利用存在互作效应。利用从2004年起在中国西北旱地潜在缺锌的石灰性土壤上开展的长期定位试验,研究长期氮磷施用下的小麦产量与锌含量的变化。【方法】田间试验采用完全随机区组设计,设不施肥(CK)、单施氮肥(N160,施160 kg N·hm~(-2))、单施磷肥(P100,施100 kg P2O5·hm~(-2))和氮磷配施(N160P100,施160 kg N·hm~(-2)、100 kg P2O5·hm~(-2))4个处理。于2012—2016年连续4年进行田间取样,分析小麦的生物量、产量、产量构成,及锌含量与锌吸收和分配。【结果】与不施肥相比,长期单施氮肥使小麦穗数降低9%,籽粒产量和地上部生物量均降低12%,而籽粒锌含量由不施肥处理的29.4 mg·kg-1提高到42.8 mg·kg-1,提高幅度为46%,籽粒和地上部的锌吸收量分别增加29%和37%,地上部的氮锌比和磷锌比分别降低13%和45%;长期单施磷肥使小麦穗数、籽粒产量和地上部生物量分别增加18%、15%和16%,籽粒锌含量、籽粒和地上部的锌吸收量却分别降低31%、19%和17%,同时地上部的氮锌比和磷锌比分别提高19%和83%;氮磷配施的小麦穗数、籽粒产量和地上部生物量也显著增加,增加幅度分别为40%、46%和38%,籽粒和地上部的锌吸收量还分别提高36%和34%,但籽粒的锌含量仅降低8%,同时地上部的氮锌比和磷锌比分别提高43%和27%。与单施磷肥相比,氮磷配施不仅提高了籽粒产量,还提高了籽粒锌含量,主要原因是施用氮肥能够增加小麦锌吸收,减缓了磷肥对小麦锌吸收的抑制作用。【结论】在生产实践中,单施氮肥虽可以提高小麦籽粒的锌含量,达到食物锌营养强化的目的,但长期单施氮肥会导致土壤养分不平衡,不利于维持和提高小麦产量。长期单施磷肥虽能够提高小麦籽粒产量,但抑制小麦锌吸收,不利于籽粒锌累积,降低籽粒含量。因此,在黄土高原旱地石灰性土壤上,建议合理进行氮磷配施,以保证小麦生产高产优质。     

秸秆还田影响长江下游稻田周年氮磷径流风险

为了阐明秸秆还田模式和施氮量对稻田周年氮磷径流风险的影响,于2014年11月—2015年10月通过监测稻田在稻季田面水和麦季径流中的氮磷浓度,研究了秸秆不还田配施推荐施氮(N1)、麦秸还田配施推荐施氮(WN1)、稻秸还田配施推荐施氮(RN1)、稻秸麦秸均还田配施推荐施氮(WRN1)和稻秸麦秸均还田配施常规施氮(WRN2)5处理对长江下游稻田周年氮磷径流风险的影响。结果表明,秸秆还田增加小麦和水稻周年产量,增幅约9.03%～18.5%,其中WRN1和RN1处理增产效果显著高于WN1处理;与WRN2处理相比,WRN1处理可以维持稻田高产。在推荐施氮条件下,秸秆还田分别降低稻季田面水和麦季径流中溶解态总氮(DTN)浓度约5.17%～14.9%和12.3%,降低稻田氮径流风险;但增加溶解态总磷(DTP)浓度,增幅分别为6.67%～33.3%和30.0%,增加稻田磷径流风险。RN1处理下稻季田面水中DTN和DTP浓度均低于WRN1和WN1处理,且其DTP浓度与N1处理间无显著差异。在稻秸麦秸均还田下,WRN1处理下稻季田面水DTP浓度与WRN2处理没有显著差异,但能有效降低田面水DTN浓度的12.4%。研究表明,在长江下游稻-麦轮作农田推荐采用"RN1"模式,该模式可以维持稻田的周年高产和有效降低稻田的周年氮径流风险,同时对稻田的磷径流风险影响不显著,是一种兼顾粮食生产和生态环境效益的耕作模式。     

太湖地区稻麦轮作农田有机和常规种植模式下氮磷径流流失特征研究

为探究不同种植模式对氮磷流失的影响,采用田间径流池法,在太湖地区稻麦轮作系统中,通过连续两年田间试验,研究比较了等氮投入条件下常规种植和有机种植模式农田径流水中氮、磷浓度特征,以及径流氮、磷流失量、流失系数。结果表明,稻季和麦季农田径流中总氮、可溶性氮、铵态氮和硝态氮平均浓度和总氮流失量均表现为:常规种植有机种植对照。与常规种植相比,有机种植模式能够有效减少稻麦轮作农田中氮的径流流失,且对麦季氮素径流流失的减少效果优于稻季;尽管有机种植模式下磷流失系数低于常规种植,但有机肥投入携带的高磷量会增加农田磷素径流流失量。